基于STEP Pico的嵌入式系统学习平台制作交通灯控制器

内容介绍

1. 项目描述

1.1 项目介绍

利用基于树莓派Pico的嵌入式系统学习平台，通过MicroPython编程来学习嵌入式系统的工作原理和应用，最终开发一个交通灯控制器，具体需要实现以下功能：仿真马路上的交通灯的工作状态切换，利用班上的红、黄、绿三种颜色的LED显示道路状态的切换，即普通的交通灯。另外，结合日常生活中的需求，加入人性化设计，行人需要通行时，加入手动控制，延长红灯时间方便行人通行。

1.2 设计思路

利用版上的三个不同颜色的LED模拟交通灯的三种状态，设计程序轮流切换灯的明暗状态，完成普通交通灯，并根据按键的输入情况（开启线程）来调整交通灯的切换状态。

1.3 流程图

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\d78dbe4e5bd8150df96a24f4eca6ac3.png$

2. 硬件介绍

2.1 硬件内容

2个按键输入、4个单色LED、12个WS2812B RGB三色灯、1个姿态传感器、1个128*64 OLED显示屏、1个蜂鸣器、1个可调电位计（用于电压表）、1路音频信号输入（用于示波器）、8位R-2R电阻网络构成的DAC（用于DDS信号发生器）

2.2 功能及管脚映射表

Fine2TE6eh2jfN4GfBcV4LT0C1vS

2.3 STEPPico核心模块原理图

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\081da14ced15eb60adf85f42803001e.png$

3. 实现的功能及图片展示

3.1 运行程序

三色LED灯按顺序切换红、黄、绿三种颜色。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\1472e71b016833c83648b9d389100ab.jpg$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\59781df798625783e545f5f7fb42fe7.jpg$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\c36d1574f4725a168cfa3159eb4ae67.jpg$

3.2 当按下按键K1

当前灯不发生变化，下一轮的红灯时间会延长，并且延长期间内，会伴随蜂鸣器的哔哔声。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\WeChat Files\9f0895c200089bd886bee18bfdbc5b0.jpg$

4. 代码段说明介绍

4.1 配置管脚属性

led_red = machine.Pin(26, machine.Pin.OUT) 
led_yellow = machine.Pin(20, machine.Pin.OUT) 
led_green = machine.Pin(22, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(12, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_UP) 
buzzer = machine.Pin(19, machine.Pin.OUT)

这些代码设置引脚GP26、GP20、GP22作为输出，每个管脚都给了一个描述性的名称，以'led'开始，这样可读性更好，一眼就知道哪个管脚控制一个led，以及该led的颜色。设置引脚GP12上的按钮用作行人的按键输入，引脚GP22上的蜂鸣器作为声音输出。因为树莓派Pico有内置的可编程输入电阻，我们将其设置为上拉模式。这意味着引脚的电压被拉到3.3V(它的逻辑电平是1)，除非它连接到GND(在这种情况下，它的逻辑电平将是0)。

4.2 交通灯循环

实际的交通灯不会一闪而过就停下来，即便没有交通堵塞，没有人通行，它们也会一直运行着。需要建立一个无限循环:

while True:
    led_red.value(1) 
    utime.sleep(5)
    led_red.value(0)
    led_yellow.value(1) 
    utime.sleep(2)  
    led_yellow.value(0) 
    led_green.value(1)
    utime.sleep(5) 
    led_green.value(0) 
    led_yellow.value(1) 
    utime.sleep(2) 
    led_yellow.value(0)

LED的状态变化如下：

1、首先红色的LED会亮起来，意味着禁止通行;

2、接下来，黄色的LED灯会亮起来，红灯关闭，意味着等待时间;

3、黄灯关闭，绿色LED亮起来，意味着可以通行了;

4、然后绿色的LED灯熄灭，黄色的灯亮起来，意味着交通灯又要变了;

5、最后，黄色的LED熄灭，循环重新开始，红色的LED亮起。

该模式将一直无限循环下去，直到按下停止按钮。它是基于国内现实世界交通控制系统中使用的交通灯模式，在这个模拟试验中，我们只是将状态转换做了加速，最长的通行时间只有5秒钟。

4.3 行人对交通灯的控制

global button_pressed
button_pressed = False

这将button_pressed设置为一个全局变量，并给它一个默认值False, 意思是当程序开始时，按钮还没有被按下。

将控制灯光循环的视为程序的主线程，同时使用_thread库可以创建一个同时运行的附加线程。

def button_reader_thread(): 
     global button_pressed 
     while True:
        if button.value() == 0: 
            button_pressed = True
        utime.sleep(0.01)

第一行定义了线程并给它起了一个描述性的名字, 它是一个读取按钮输入的线程，条件语句用于检查按键的值是否为1，当按键没有按下时，读取值为1，附加线程不运行，读取值为零时，程序其他部分知道按键按下。

_thread.start_new_thread(button_reader_thread, ())

这告诉_thread库启动前面定义的线程。

if button_pressed == True: 
        led_red.value(1)
        for i in range(10):
            buzzer.value(1) 
            utime.sleep(1)
            buzzer.value(0) 
            utime.sleep(0.2)
        global button_pressed 
        button_pressed = False

这段代码检查button_pressed全局变量，以查看自循环最后一次运行以来，按键是否在任何时候被按下。如果有，就像我们之前做的按键阅读线程报告的那样，它开始运行一段代码，首先打开红色的LED灯来停止交通，然后按下蜂鸣器十次，让行人知道时间到了可以过马路了。最后两行将button_pressed变量重置为False，所以下一次环路运行它不会触发行人通行规则，除非再次按下按钮。

5. 难题及解决办法

本任务的难题在于人为对交通灯的变化加以干预，以方便行人的同行

我采取的方法是建立附加线程，对控制按钮是否按下进行实时检查，若控制按钮按下，则三色LED颜色的切换加入新的流程，在循环前加入一段新的红灯时常，并且加入蜂鸣器的声音，提醒行人通过，从而控制红绿灯。

6. 未来的计划

本次任务，还有许多可以完善和改进的地方，比如可以增设控制按钮，让马路双方的人都可以控制交通灯，另外我计划了解不同国家的交通灯的变换形式，重新编程交通灯进行匹配。利用板子上的显示屏，来模拟行人过马路，增加项目的可视性等等，希望可以更深层次的学习和练习嵌入式开发。